专利名称：用于从工业有机废弃物和生物质生产氢和甲烷的集成系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于从工业有机废弃物和生物质生产氢和甲烷的方法和集成系统。
背景技术：
从有机废弃物生产生物氢解决了当今两大最为紧迫的问题剧增的能量需求和环境污染。微生物能够通过光合作用或优选地通过发酵生产氢(Matsimaga等人，2000)。有机污染物在两个不同的阶段被厌氧地转化成甲烷酸化和甲烷生成。酸化以副产物的形式产生氢，其进而在该方法的第二阶段被许多种产甲烷菌用作电子供体(Fang和Liu，2002)。 将两个阶段分离对于从第一阶段收集氢是可行的。第二阶段被进一步用于处理剩余的酸化产物，其主要包括挥发性脂肪酸。连续搅拌釜反应器(CSTR)已成为最为广泛使用的用于连续生产氢的系统(Li和 Fang, 2007).由于在CSTR中生物质固体停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)相同，所以其在混合液中的浓度受到对高氢生产速率最佳的l_12h的推荐的HRT的极大影响(Li和 Fang, 2007)。0. 3331Γ1的混合培养物的最大比生长速率(μ max) (Horiuchi等人，200 对应于 3. Oh 的 SRTmin。但是，由于严重的细胞洗出和系统失效，高稀释速率导致反应器中生物质含量显著降低(Wu等人，2008)。氢生物反应器中SRT与HRT的去耦(decoupling)主要通过在若干培养基上使用生物膜而实现，所述培养基包括合成塑料培养基和经处理的厌氧颗粒污泥 (Das等人，2008)、活性炭、膨胀粘土和丝瓜络(Vallero等人，200 。载体培养基上产甲烷菌生物膜的开发中存在的问题对方法稳定性具有不利影响，这对于持续性氢生产是关键性的。此外，就容积氢产率而言膜未显示出许多优点并且在此类还原性环境中还易于结垢。因此，提供用于从工业有机废弃物和生物质生产氢和甲烷的将固体停留时间 (SRT)与水力停留时间(HRT)去耦以避免上述的一些局限性的方法和集成系统将是非常有利的。
发明内容
从工业有机废弃物和生物质成功实施生物制氢的困难在于氢产率低、容积氢生产速率低、微生物转换以及产氢微生物培养物产率低。本发明提供被设计用以克服持续性生物制氢的两个最重要的局限性的系统，所述局限性即微生物产氢培养物被产甲烷培养物污染从而需要频繁重新启动和/或其他产甲烷细菌灭活技术，以及在微生物自系统洗出以及失效中达到极点的产氢微生物的细菌产率低。使用Compendex、Scifinder Scholar 和 Google Scholar 进行的大量文献检索显示未研究使用重力沉降器将SRT与HRT去耦的设想。因此，在此创新性研究中，首次研究了在氢反应器之后使用重力沉降器通过污泥再循环将SRT与HRT去耦。此外，测试了用于处理工业废弃物和生物质的集成氢/甲烷生产系统。本文公开的系统包括用于生物制氢的连续搅拌反应器(CSTR)，其后为位于CSTR 下游的重力沉降器，它们的组合形成了生物氢化器。通过来自重力沉降器底部的生物质再循环和/或来自重力沉降器底流的生物质废弃物将氢反应器中的生物质浓度保持在所需范围内。因此，本发明提供用于从有机废弃物生产氢和甲烷的装置，其包括a)生物氢化器，其包括完全混合型生物反应器，所述完全混合型生物反应器具有用于接收有机废弃物进入其中的入口 ；和位于所述完全混合型生物反应器下游并且与所述完全混合生物反应器的出口水力连接的用于接收来自所述完全混合型生物反应器的输出物的重力沉降器，其包括将所述重力沉降器底部连接至所述完全混合型生物反应器的用于将来自所述重力沉降器的沉降的生物质再循环至所述完全混合型生物反应器的回料管， 并且包括用于排放过量生物质的来自所述重力沉降器底部的出口管；b)位于所述完全混合型生物反应器内的产氢微生物；C)位于所述重力沉降器下游并且与所述重力沉降器的出口水力连接的生物甲烷转化器；且d)其中进入所述完全混合型生物反应器的有机废弃物被产氢微生物以微生物学方式主要降解成氢气和二氧化碳，以及挥发性脂肪酸和伯醇的混合物，其中氢气和二氧化碳从所述完全混合型生物反应器释放，其中包含所述挥发性脂肪酸、伯醇和产氢微生物的液体流出物流至所述重力沉降器，当在所述重力沉降器中时，所述产氢微生物沉降至所述重力沉降器的底部并且于重力沉降器中被浓缩，而主要包含所述挥发性脂肪酸和所述伯醇的液体流出物流入所述生物甲烷转化器，在其中所述挥发性脂肪酸和所述伯醇被以微生物学方式主要降解成甲烷气体和二氧化碳，其中在所述重力沉降器底部的沉降的产氢微生物被再循环回所述完全混合型生物反应器，其中在所述生物甲烷转化器中产生的甲烷气体和二氧化碳被释放并且包含残留有机物的液体废弃物从所述生物甲烷转化器排放。本发明还提供从有机废弃物生产氢和甲烷的方法，其包括a)使有机废弃物流入生物氢化器，所述生物氢化器包括完全混合型生物反应器，所述完全混合型生物反应器具有用于接收有机废弃物进入所述完全混合型生物反应器的入口 ；和位于所述完全混合型生物反应器下游并且与所述完全混合型生物反应器的出口水力连接的用于接收来自所述完全混合型生物反应器的输出物的重力沉降器，其包括将所述重力沉降器底部连接至所述完全混合型生物反应器的用于将来自所述重力沉降器的沉降的生物质再循环至所述完全混合型生物反应器的回料管，并且包括用于排放过量生物质的起自所述重力沉降器底部的出口管；b)其中进入所述生物氢化器的有机废弃物被产氢微生物以微生物学方式主要降解成氢气和二氧化碳，以及挥发性脂肪酸和伯醇的混合物，其中氢气和二氧化碳从所述完全混合型生物反应器释放，其中包含所述挥发性脂肪酸、伯醇和产氢微生物的液体流出物流至所述重力沉降器，当在所述重力沉降器中时，所述产氢微生物沉降至所述重力沉降器的底部并且于所述重力沉降器中被浓缩，而主要包含所述挥发性脂肪酸和所述伯醇的液体流出物流入位于所述重力沉降器下游并且与所述重力沉降器的出口水力连接的生物甲烷转化器内；且c)其中所述挥发性脂肪酸和所述伯醇被以微生物学方式主要降解成甲烷气体和二氧化碳，其中在所述重力沉降器底部的沉降的产氢微生物被再循环回所述完全混合型生物反应器，其中在所述生物甲烷转化器中产生的甲烷气体和二氧化碳被释放并且包含残留有机物的液体废弃物从所述生物甲烷转化器排放。通过参考下文的详细描述和附图可进一步理解本发明的功能性和有利方面。
现参考附图仅以举例方式描述本发明的优选实施方案，其中图1是显示用于实施本发明方法的本发明系统的方块图。图2显示使用图1的系统在合成渗滤液处理期间流出液COD的随时间的变化；图3显示合成渗滤液处理期间COD去除效率随时间的变化。图4显示合成渗滤液处理期间氢产率随时间的变化。图5显示合成渗滤液处理期间氢生产速率随时间的变化。图6显示合成渗滤液处理中的甲烷产率；且图7显示涉及对包括玉米糖浆的废弃物的处理的研究中容积氢生产速率和摩尔氢产率随有机物负荷的变化。
具体实施例方式总体而言，本发明所述实施方案涉及从工业有机废弃物和生物质生产氢和甲烷的集成系统。按要求，在本文中公开了本发明的实施方案。然而，所公开的实施方案仅为示例性的并且应理解能够以许多不同的和可选择的形式实施本发明。所述附图并非按比例并且一些特征可能被放大或最小化以显示具体要素的细节， 同时可能忽略相关要素以防止使具备新颖性的方面变得不明显。因此，不应将本文公开的具体结构和功能细节解释为限制性的，而仅应将它们解释为权利要求的基础以及教导本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性的基础。处于教导的目的并且不具有限制性， 本文公开了从工业有机废弃物和生物质生产氢和甲烷的集成系统。当与维度、浓度、温度或其他物理或化学性质或特性的范围联合使用时，本文所使用的术语“约”和“大约”意图包括存在于性质/特性范围的上限和下限中的微小变化。本文所使用的短语“完全混合型生物反应器”指机械或水力搅拌的容器，其包括悬浮的微生物和通常包含养分诸如有机碳、含氮化合物、含磷化合物以及微量矿物质溶液的生长培养基。本文所使用的术语“生物甲烷转化器”指用于将有机废弃物厌氧转化成甲烷和二氧化碳的任何常用的设计。生物甲烷转化器包括但不限于单级或多级连续搅拌釜反应器(CSTR)、其中废弃物流向上流过颗粒污泥的厌氧紧密床的升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、其中废弃物流向上流过厌氧膨胀颗粒污泥的膨胀颗粒污泥床(expanded bedgranular sludge blanket，EGSB)、下流式或升流式厌氧颗粒培养基反应器、厌氧折流板釜式反应器(ABR)以及厌氧往复层反应器(AMBR)。本文所使用的短语“产氢微生物”指能够在厌氧条件下发酵有机物产生氢、二氧化碳和各种有机酸和醇的微生物。本文所使用的短语“有机废弃物”指包括碳和氢的废弃物，例如但不限于醇、酮、 醛、挥发性脂肪酸、酯、羧酸、醚、碳水化合物、蛋白质、脂质、多糖、单糖、纤维素以及核酸。参考图1，其显示用于从有机废弃物生产氢和甲烷的装置10。装置10包括生物氢化器12，其包括完全混合型生物反应器14(上文中也称作连续搅拌反应器(CSTR)，所述完全混合型生物反应器14具有用于接收有机废弃物进入完全混合型生物反应器14的入口。 生物氢化器12包括位于完全混合型生物反应器14下游并且与完全混合型生物反应器14 的出口水力连接的用于接收来自完全混合型生物反应器14的输出物的重力沉降器16。系统10包括位于完全混合型生物反应器14内的产氢微生物，其被用于降解有机废弃物。系统10包括将重力沉降器16的底部连接至完全混合型生物反应器14的用于将来自重力沉降器16的沉降的生物质再循环至完全混合型生物反应器14的回料管20。包括用于排放过量生物质(图1中的过量生物质废弃物)的起自重力沉降器16底部的出口管 24。该系统包括位于重力沉降器16下游并且与重力沉降器16的出口水力连接的生物甲烷转化器22。在操作中，进入生物氢化器12的有机废弃物(图1中标注的有机废弃物)在完全混合型生物反应器14内被产氢微生物以微生物学方式主要降解为氢气和二氧化碳，以及挥发性脂肪酸和伯醇的混合物。氢气(H2)和二氧化碳(CO2)从完全混合型生物反应器14释放，包含挥发性脂肪酸、伯醇和产氢微生物的液体流出物流至重力沉降器16， 并且当在重力沉降器16中时，产氢微生物沉降至重力沉降器16的底部并且于重力沉降器 16中被浓缩。主要包含所述挥发性脂肪酸和伯醇的液体流出物流入生物甲烷转化器22中， 其中所述挥发性脂肪酸和所述伯醇被以微生物学方式主要降解成甲烷气体和二氧化碳，其中重力沉降器16底部的沉降的产氢微生物被再循环至完全混合型生物反应器14。在生物甲烷转化器22中产生的甲烷气体和二氧化碳被释放并且包含残留有机物的液体废弃物从生物甲烷转化器22排出。可用于本发明的厌氧处理生物甲烷转化器22的常用的设计包括但不限于单级或多级连续搅拌釜反应器(CSTR)、其中废弃物流向上流过颗粒污泥的厌氧紧密床的升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、其中废弃物流向上流过厌氧膨胀颗粒污泥的膨胀颗粒污泥床 (EGSB)、下流式或升流式厌氧颗粒培养基反应器、厌氧折流板釜式反应器(ABR)以及厌氧往复层反应器(AMBR)。任选地，装置10可包括与重力沉降器16水力连接的储槽沈，其位于重力沉降器 16的下游和生物甲烷转化器22的上游，并且与沉降槽16和生物甲烷转化器22 二者水力连接，用于调节进入生物甲烷转化器22的液体的负荷率。所述装置可能包括用于将化学物质分配到储罐沈中以调节储罐沈中液体的碱度和PH的分配器。所述装置还优选地包括用于控制完全混合型生物反应器14和生物甲烷转化器22 内的温度的温度控制器。将生物反应器14和生物甲烷转化器22 二者中的内容物的温度保持在约20°C -约70°C的典型温度范围内。所述装置还包括用于将养分和pH调节化合物分配到完全混合型生物反应器14内的分配工具。所述养分可为但不限于以下物质之一或它们的组合含氮化合物、含磷化合物、包括铁、锰、镁、钙、钴、锌、镍和铜的微量金属。所述PH调节化合物包括但不限于苏打灰、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁、硝酸和盐酸。产氢微生物的实例包括但不限于丙酮丁醇梭菌(C.acetobutyricum)、苏云金杆菌 (Bacillus thuringiensis)禾口丁酸梭菌(C. butyricum)。pH调节化合物的实例包括但不限于苏打灰、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁、硝酸和盐酸。图1中的系统B即为完全混合型生物反应器14，其当与生物甲烷转化器22直接连接时得到使用中的当前系统或现有技术系统。现将使用以下非限制性实施例举例说明本发明。实施例材料和方法1.合成渗滤液使用如上文所述的图1中的系统A和B将两个实验室规模的系统于37°C下运行 25天。如上文所述，系统A包括氢CSTR14、甲烷CSTR22、中间的重力沉降器16和储罐26， 以得到本发明的系统10。系统B仅包括氢CSTR，其为现有技术系统。运行条件的细节列于表1中。表1.结果总结
权利要求
1.用于从有机废弃物生产氢和甲烷的装置，其包括a)生物氢化器，其包括完全混合型生物反应器，所述完全混合型生物反应器具有用于接收有机废弃物进入所述完全混合型生物反应器的入口 ；和位于所述完全混合型生物反应器下游并且与所述完全混合型生物反应器的出口水力连接的用于接收来自所述完全混合型生物反应器的输出物的重力沉降器，其包括将所述重力沉降器的底部连接至所述完全混合型生物反应器的用于将来自所述重力沉降器的沉降的生物质再循环至所述完全混合型生物反应器的回料管，并且包括用于排放过量生物质的起自所述重力沉降器底部的出口管；b)位于所述完全混合型生物反应器内的产氢微生物；c)位于所述重力沉降器下游并且与所述重力沉降器的出口水力连接的生物甲烷转化器；且c)其中进入所述完全搅拌型生物反应器的有机废弃物被所述产氢微生物以微生物学方式主要降解成氢气和二氧化碳，以及挥发性脂肪酸和伯醇的混合物，其中氢气和二氧化碳从所述完全混合型生物反应器释放，其中包含所述挥发性脂肪酸、伯醇和产氢微生物的液体流出物流至所述重力沉降器，当在所述重力沉降器中时，产氢微生物沉降至所述重力沉降器的底部并且于所述重力沉降器中被浓缩，而主要包含所述挥发性脂肪酸和所述伯醇的液体流出物流入所述生物甲烷转化器，其中所述挥发性脂肪酸和所述伯醇被以微生物学方式主要降解成甲烷气体和二氧化碳，其中在所述重力沉降器底部的沉降的产氢微生物被再循环回所述完全混合型生物反应器，且其中在所述生物甲烷转化器中产生的甲烷气体和二氧化碳被释放并且包含残留有机物的液体废弃物从所述生物甲烷转化器排放。
2.如权利要求1所述的装置，其包括储罐，所述储罐位于所述重力沉降器下游且与所述重力沉降器水力连接，并且位于所述生物甲烷转化器上游且与其水力连接，用于调节进入所述生物甲烷转化器的液体的负荷率。
3.如权利要求2所述的装置，其包括用于将化学物质分配入储罐以调节所述储罐内液体的碱度的分配器。
4.如权利要求1-3之一所述的装置，其包括与所述完全混合型生物反应器和所述生物甲烷转化器相连的用于控制所述完全混合型生物反应器和所述生物甲烷转化器的内含物温度的温度控制器。
5.如权利要求1-4之一所述的装置，其包括用于将养分和pH调节化合物分配入所述完全混合型生物反应器的分配工具。
6.如权利要求1-5之一所述的装置，其中所述养分为以下物质之一或它们的组合含氮化合物、含磷化合物、包括铁、锰、镁、钙、钴、锌、镍和铜的微量金属。
7.如权利要求1-6之一所述的装置，其中所述产氢微生物包括丙酮丁醇梭菌、苏云金杆菌和丁酸梭菌之一或其组合。
8.如权利要求1-7之一所述的装置，其中所述生物甲烷转化器是以下之一单级连续搅拌釜反应器、多级连续搅拌釜反应器、升流式厌氧污泥床反应器、膨胀颗粒污泥床、下流式厌氧颗粒培养基反应器、升流式厌氧颗粒培养基反应器、厌氧折流板釜式反应器以及厌氧往复层反应器。
9.用于从有机废弃物生产氢和甲烷的方法，其包括a)使有机废弃物流入生物氢化器，所述生物氢化器包括完全混合型生物反应器，所述完全混合型生物反应器具有用于接收有机废弃物进入所述完全混合型生物反应器的入口 ；和位于所述完全混合型生物反应器下游并且与所述完全混合型生物反应器的出口水力连接的用于接收来自所述完全混合型生物反应器的输出物的重力沉降器，其包括将所述重力沉降器的底部连接至所述完全混合型生物反应器的用于将来自所述重力沉降器的沉降的生物质再循环至所述完全混合型生物反应器的回料管，并且包括用于排放过量生物质的起自所述重力沉降器底部的出口管；b)其中进入所述生物氢化器的有机废弃物被产氢微生物以微生物学方式主要降解成氢气和二氧化碳，以及挥发性脂肪酸和伯醇的混合物，其中氢气和二氧化碳从所述完全混合型生物反应器释放，其中包含所述挥发性脂肪酸、伯醇和产氢微生物的液体流出物流至所述重力沉降器，当在所述重力沉降器中时，所述产氢微生物沉降至所述重力沉降器的底部并且于所述重力沉降器中被浓缩，而主要包含所述挥发性脂肪酸和所述伯醇的液体流出物流入位于所述重力沉降器下游并且与所述重力沉降器的出口水力连接的生物甲烷转化器内；且c)其中所述挥发性脂肪酸和所述伯醇被以微生物学方式主要降解成甲烷气体和二氧化碳，其中在所述重力沉降器底部的沉降的产氢微生物被再循环回所述完全混合型生物反应器，其中在所述生物甲烷转化器中产生的甲烷气体和二氧化碳被释放并且包含残留有机物的液体废弃物从所述生物甲烷转化器排放。
10.如权利要求9所述的方法，其包括使主要包含所述挥发性脂肪酸和伯醇的液体流入储罐的步骤，所述储罐位于所述重力沉降器下游且与所述重力沉降器水力连接，并且位于所述生物甲烷转化器上游且与其水力连接，用于调节进入所述生物甲烷转化器的液体的负荷率。
11.如权利要求10所述的方法，其包括将PH调节化合物分配入储罐以调节所述储罐的内含物的PH。
12.如权利要求9、10或11所述的方法，其包括控制所述完全混合型生物反应器和所述生物甲烷转化器的温度。
13.如权利要求12所述的方法，其中将所述完全混合型生物反应器的温度保持在 20°C -约70°C的温度范围内。
14.如权利要求12所述的方法，其中将所述生物甲烷转化器的温度保持在20°C-约 70°C的温度范围内。
15.如权利要求9-13之一所述的方法，其包括将养分和pH调节化合物之一或其组合分配入所述完全混合型生物反应器。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述养分为以下物质之一或它们的组合含氮化合物、含磷化合物、包括铁、锰、镁、钙、钴、锌、镍和铜的微量金属。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述pH调节化合物包括但不限于苏打灰、碳酸氢钠、氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化镁、硝酸和盐酸。
18.如权利要求9-17之一所述的方法，其中所述产氢微生物包括丙酮丁醇梭菌、苏云金杆菌和丁酸梭菌之一或其组合。
19.如权利要求9-18之一所述的方法，其中所述生物甲烷转化器是以下之一单级连续搅拌釜反应器、多级连续搅拌釜反应器、升流式厌氧污泥床反应器、膨胀颗粒污泥床、下流式厌氧颗粒培养基反应器、升流式厌氧颗粒培养基反应器、厌氧折流板釜式反应器以及厌氧往复层反应器。
全文摘要
本发明提供被设计用于克服持续性生物制氢的两个最重要的局限性的系统，所述局限性即微生物产氢培养物被产甲烷培养物污染从而需要频繁重新启动和/或其他产甲烷细菌灭活技术，以及在微生物自系统洗出以及失效中达到极点的产氢微生物的细菌产率低。所述系统包括用于生物制氢的连续搅拌生物反应器(CSTR)，其后为位于CSTR下游的重力沉降器，它们的组合形成了生物氢化器。通过来自重力沉降器底部的生物质再循环和/或来自重力沉降器底流的生物质废弃物将氢反应器中的生物质浓度保持在所需范围内。由于产氢细菌对流出物废弃物组分的微生物学降解，重力沉降器负荷有挥发性脂肪酸，其为下游生物甲烷转化器中产甲烷细菌的良好底物。
文档编号C02F3/00GK102300977SQ201080006339
公开日2011年12月28日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年1月30日
发明者G·F·纳赫拉, H·M·哈菲兹, M·H·埃纳加尔 申请人:西安大略大学